基于UG的注塑模抽芯機構智能化設計

劉玉杰，姜 敏，王華昌，李建軍

（1華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室，湖北 武漢430074；2江蘇昆山市工業技術研究院，江蘇 昆山215347）

在現代工業產品中，注塑模零件種類繁多且形狀復雜，許多零件具有凹區域（如凹槽、側孔、孔洞等）和凸區域（如圓柱、凸臺、圓錐、球等），從而不能順利地從模具的型腔中脫離出來［1］。針對零件無法脫模的情況，一般有兩種解決辦法［2］:1）設計斜頂側向脫模機構；2）設計滑塊側向脫模機構。成型產品內部側凹特征時，一般選用斜頂抽芯機構，成型產品外部側凹特征時，一般選用滑塊抽芯機構。一般情況下，抽芯機構由兩部分構成:頭部和體。頭部依賴于產品的形狀，體則由可自定義的標準件組成。對于體，現代企業一般利用抽芯機構標準庫調出，而頭部一般都是手動制作。抽芯機構頭部的手動制作過程是:創建方形包絡體，使包絡體包住側凹特征，利用產品或者分型面修剪實體，再通過偏置、替換面等操作完善實體，最后得到側型芯。手動設計步驟繁雜，效率比較低，極易出錯。因此，在UG上開發抽芯機構智能設計工具，集成注塑模具抽芯機構設計知識，快速方便地進行抽芯機構的批量生成，對注塑模設計效率的提升具有重要意義。

1 需求分析與功能設計

1.1 需求分析

抽芯機構智能化設計系統的主要目的是提高注塑模抽芯機構設計的效率和準確性，將大量復雜的操作和數值計算交由計算機完成，從而降低注塑模抽芯機構設計的復雜性，避免手工計算和減少交互操作，從而提高設計效率和設計質量。抽芯機構頭部的形狀千差萬別，需要單獨設計。抽芯機構頭部設計模塊需要具備以下功能:1）快速布局斜頂與滑塊頭部位置；2）能在斜頂與滑塊頭部生成前判斷干涉情況；3）自動計算斜頂與滑塊頭部尺寸；4）根據斜頂與滑塊頭部設計知識，自動智能判斷頭部類型；5）能快速批量生成；6）斜頂與滑塊頭部出錯能修改、刪除；7）斜頂與滑塊頭部類型能夠支持后續擴充，滿足不同需求；8）可輔助支持后續斜頂與滑塊設計。

1.2 功能設計

根據需求分析，斜頂與滑塊頭部設計界面見圖1。

圖1 斜頂滑塊頭部設計界面

該工具可分別進行斜頂與滑塊頭部的創建、編輯和刪除。1）斜頂頭部創建:用戶選擇斜頂類型，修改相關尺寸，點擊應用即可生成斜頂頭部。為簡化用戶操作，斜頂類型會根據區域相關信息做出類型推薦，用戶也可手動更改斜頂類型。2）滑塊頭部創建:滑塊頭部的創建過程是全自動的，程序會自動識別需要創建滑塊頭部的位置并得到相關尺寸。3）斜頂頭部編輯:用戶可以編輯斜頂的類型與尺寸。4）斜頂與滑塊頭部刪除:用戶點擊刪除頭部，程序自動識別所有已生成的頭部，用戶選擇需要刪除的頭部即可。為了滿足不同企業的實際情況，增加了斜頂頭部類型的配置文件，用戶可根據需求自行調整、擴充。表1為斜頂頭部主配置表。

表1 斜頂頭部主配置表

2 算法實現

斜頂頭部與滑塊頭部設計的算法流程見圖2。總結手動設計斜頂與滑塊頭部的方法，設計了一套適合程序實現的算法。算法流程如下:1）獲取產品上所有的倒扣面，按鄰接關系分組，每組為一個倒扣區域，需要在每一個倒扣區域創建頭部；2）確定每個倒扣區域的脫模方向，這決定了頭部的放置方位，并為后續設計提供支持；3）確定每個倒扣區域的定位點和定位矩陣，這決定了頭部的具體放置位置；4）判斷做成斜頂頭部還是滑塊頭部，不同的頭部類型設計的方式不一樣；5）調入標準頭部（若做成斜頂）或創建包絡體（若做成滑塊），并根據區域大小修改相關尺寸；6）修剪頭部，把多余的部分通過分型面或實體修剪的方式得到最終的頭部形狀。下面將詳細分析每個流程的算法實現。

圖2 頭部設計算法流程圖

2.1 獲取倒扣區域面

本文采用基于表面可見性的特征識別方法來識別倒扣區域面［3］，同時支持手動設置倒扣區域面。

2.2 確定脫模方向

實體上面的類型分為平面和曲面，曲面又可分為圓柱面、圓錐面和其他類型曲面等。各種類型面的法向矢量如圖3所示。其中，平面的法向為平面任一點的法向，圓柱面和圓錐面的法向沿中心方向，其他類型曲面法向不定，可以采用三角離散的方法［4］，將曲面離散成一個個微小三角形，每一個小三角形均為一個小平面，這樣就把曲面轉換為很多個微小平面，再按平面的法向判斷方法獲得每個微小平面的法向。

圖3 各類型面的法向矢量

依據上述理論，確定倒扣區域脫模方向的算法流程如下:

1）得到倒扣區域的所有面以及每個面的法向，各類型面的法向依據上述方法判斷；2）將得到的所有法向（其他類型曲面法向轉換為多個平面的法向）沿X－Y平面投影，得到所有投影矢量，并過濾掉零矢量；3）獲取單一投影矢量的脫模范圍。單一矢量的脫模范圍如圖4a所示，為與該矢量垂直的180°范圍；4）獲取所有投影矢量的脫模范圍。多個矢量的脫模方向如圖4b所示，為每個矢量脫模范圍的交集。5）取所有投影矢量脫模范圍的中值，作為倒扣區域的脫模方向。

圖4 矢量的脫模范圍

2.3 確定定位點和定位矩陣

定位點決定頭部的放置位置，定位矩陣決定頭部的放置方向，通過定位點和定位矩陣可以確定頭部的方位。定位點的確定方法如圖5所示，首先獲取倒扣區域包絡體，再根據前面得到的倒扣區域脫模方向，即可得到定位點的坐標。定位矩陣是一個3×3的矩陣，分別為X、Y、Z三個方向的單位矢量，其中Z矢量為（0，0，1），Y方向為前述確定的區域脫模方向的單位矢量，再按右手螺旋定則得到X方向矢量，即可得到定位矩陣。

圖5 定位點確定方法

2.4 判斷做成斜頂頭部還是滑塊頭部

側凹特征的類型決定是做成斜頂頭部還是滑塊頭部。對于外側孔、凸臺等外部側凹特征，一般做成滑塊頭部，對于內側卡勾、內側凸臺等內部側凹，一般選擇做成斜頂頭部。根據上述理論，如果倒扣區域所有面沿脫模方向打射線都不與產品相交，則做成滑塊頭部，否則做成斜頂頭部。

2.5 頭部修剪

如果做成斜頂頭部，則根據前述定位點和定位矩陣以及用戶選擇的斜頂類型導入標準斜頂頭部。斜頂頭部的修剪方式有兩種，一種是依賴于產品，根據產品來修剪頭部，其修剪的原理是通過幾何關聯復制（WAVE）技術和布爾求差實現［5］。另一種是依賴于片體（分型面）或面，通過面來修減頭部，其修剪的原理是通過幾何關聯復制（WAVE）技術和修剪體功能實現。

如果做成滑塊頭部，由于此區域在產品外側且常常有孔洞，故無法通過分型面或者產品修剪頭部的方式實現。根據此倒扣區域的特點，可把倒扣區域面拉伸成實體來修剪頭部。具體算法流程如下:

1）在倒扣區域創建包絡體；

2）得到產品在包絡體中的所有面；

3）獲取每個面的法向，過濾掉法向與脫模方向成銳角或直角的面；

4）把剩下的面沿脫模方向的反向拉伸，拉伸長度為包絡體的長度；

5）將包絡體與所有拉伸的實體求差即可得到此區域的滑塊頭部。

2.6 抽芯機構體的生成

通過給生成的頭部賦屬性，把頭部的相關信息記錄于屬性之中，這樣就實現了頭部與體之間的接口。后續通過抽芯機構標準件庫調用體的時候，可以直接遍歷部件得到所有設計好的頭部，通過屬性獲取頭部的尺寸、角度等相關參數來驅動體的相關尺寸，再通過布爾求和操作，實現抽芯機構整體的生成。

3 應用實例

圖6為產品倒扣區域圖，圖7為利用斜頂與滑塊頭部設計工具和相關體的設計工具自動生成的斜頂和滑塊組合圖。在使用此工具時，程序會自動判斷所有需要設計頭部的區域，并自動計算位置、尺寸，用戶只需選擇需要的頭部類型，即可準確生成頭部，并通過添加相關屬性來支持后續抽芯機構體的設計。

圖6 產品倒扣區域圖

圖7 斜頂與滑塊組合圖

4 結束語

基于人機交互設計抽芯機構頭部的過程，利用UG三維造型軟件提供的相關功能，通過獲取倒扣區域面、確定脫模方向、得到定位點和定位矩陣、判斷頭部類型、調入頭部以及修剪頭部等一系列算法流程，開發注塑模抽芯機構。軟件能快速布局斜頂與滑塊頭部位置、自定計算頭部尺寸、支持通用斜頂與企業專用斜頂以及為后續斜頂和滑塊體的設計提供支持。應用表明，該設計軟件可提高斜頂與滑塊頭部設計效率70%以上，同時也保證了設計質量，減少差錯發生。

［1］ Fu M W，Fuh J Y H，Nee A Y C.Undercut feature recognition in an injection mould design system［J］.Computer-Aided Design，1999，31（12）:777-790.

［2］ 敬 東.UG標準件庫開發實例教程［M］.北京:清華大學出版社，2007.

［3］ 毛齊珠.基于特征識別的注塑模抽芯機構設計方法研究［D］.武漢:華中科技大學，2013.

［4］ 柯映林，周儒榮.實現3D離散點優化三角劃分的三維算法［J］.計算機輔助設計與圖形學學報，1994，6（04）:241-248.

［5］ 趙俊杰，王華昌，李志剛.基于UG的關聯技術在注射模成型零部件設計中的應用［J］.模具工業，2007，33（05）:12-15.